В Южно-Китайском море впервые испытали солнечные элементы на глубине 10 метров
Китайские исследователи впервые продемонстрировали работу солнечных элементов на глубине 10 метров в реальных морских условиях. Перовскитные модули, погружённые в Южно-Китайское море, за два часа выработали 324 мВт·ч энергии. Полученную электроэнергию использовали для зарядки литий-ионных аккумуляторов, показав возможность автономного питания подводного оборудования непосредственно от солнечного света.
До сих пор эксперименты с подводными солнечными элементами в основном проводились на глубине не более двух метров. На большей глубине интенсивность солнечного излучения быстро уменьшается, а его спектр меняется из-за поглощения света водой. Поэтому обычные солнечные элементы, рассчитанные на условия на поверхности Земли, работают под водой менее эффективно.
Команда под руководством Вэнь-Хуа Чжана из Юньнаньского университета разработала для таких условий перовскитные солнечные элементы, специально настроенные на ту часть солнечного света, которая лучше всего проникает сквозь толщу воды. Материал оптимизировали для эффективного преобразования преимущественно сине-зелёного света, сохраняющегося на глубине около 10 метров.
Для повышения эффективности и стабильности перовскита исследователи использовали полигексаметиленгуанидин гидрохлорид. Добавка изменила электронные свойства материала, облегчила извлечение электронов, уменьшила количество дефектов и подавила перемещение ионов галогенов внутри кристаллической структуры, которое может ускорять деградацию перовскитных солнечных элементов.
Сначала работу устройств проверили в лаборатории. Учёные создали систему оптических фильтров, воспроизводящую интенсивность и спектр солнечного света на разных глубинах. При освещении, соответствующем глубине 10 метров, максимальная эффективность преобразования доступной световой энергии достигла 34,71%. При стандартном наземном солнечном освещении максимальная эффективность этих элементов составляла 17,08%.
Высокая эффективность в подводных условиях связана с тем, что элементы специально оптимизированы для изменённого водой спектра. Показатель 34,71% относится к преобразованию значительно более слабого света, сохранившегося на глубине 10 метров, поэтому он не означает, что подводная установка производит больше электроэнергии, чем обычная солнечная панель на поверхности.
После лабораторных испытаний исследователи изготовили более крупные модули и установили их на подводные роботизированные платформы. Систему испытали возле острова Вэйчжоу в Южно-Китайском море на глубинах до 10 метров. На максимальной глубине за два часа модули собрали 324 мВт·ч энергии. Этого оказалось достаточно для зарядки литий-ионных аккумуляторов и питания светодиодов.
Исследователи также проверили стабильность материала. После 300 дней хранения в атмосфере азота элементы сохраняли около 96% первоначальной эффективности. В другом эксперименте они проработали 1160 часов при искусственном освещении, соответствующем условиям на глубине 10 метров, практически без снижения характеристик.
На основе ускоренных испытаний авторы рассчитали время T80 — период, за который мощность элемента уменьшается до 80% первоначального значения. При температуре 25 °C и освещении, соответствующем глубине 10 метров, расчётное значение составило около 5,49 года. Реальное морское испытание продолжалось два часа, поэтому долговечность устройств непосредственно в морской воде в течение нескольких лет ещё не проверена.
Одной из задач для дальнейшей разработки остаётся защита элементов от морской воды и длительного воздействия окружающей среды. Перовскитные устройства также содержат свинец, поэтому для практического применения необходима надёжная герметизация, исключающая попадание материала в морскую среду.
Подводные солнечные элементы предназначены прежде всего не для создания крупных электростанций на морском дне, а для локального питания оборудования, которому требуется сравнительно небольшое количество энергии. К таким устройствам относятся автономные датчики, камеры, системы связи и подводные роботы. Возможность получать электричество непосредственно под водой может уменьшить необходимость регулярно поднимать такое оборудование на поверхность для замены или зарядки аккумуляторов.
Следующим этапом станут испытания на большей глубине. Исследователи намерены определить предельную глубину, на которой солнечного света ещё достаточно для практической работы фотоэлектрических элементов, а также разработать стандартные методы испытаний подводных солнечных систем.
Исследование в журнале Joule.